[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur induktiven Energieversorgung einer auf
einer rotierenden Welle angeordneten elektrischen Schaltung, insbesondere eines Senders
und einer dazugehörigen Meßstelle, mit einer nahe der Welle stationär angeordneten
Primärspule und einer mit der Welle rotierenden Sekundärspule.
[0002] Im Maschinenbau müssen häufig Messungen an rotierenden Wellen vorgenommen werden.
Dazu ist es erforderlich, daß die von einer auf einer rotierenden Welle angeordneten
Meßstelle aufgenommenen Meßwerte zu einer stationären Anzeigevorrichtung übertragen
werden. Ferner ist bei derartigen Messungen meist erforderlich, die Meßstelle, beispielsweise
eine Brückenschaltung mit Dehnungsmeßstreifen zur Drehmomentmessung mit elektrischer
Energie zu versorgen. Sowohl zur Übertragung der von der Meßstelle aufgenommenen Meßwerte
von der mit der Welle rotierenden Meßstelle zur stationären Anzeigevorrichtung als
auch zur Übertragung der elektrischen Energie zur Versorgung der Meßstelle werden
häufig Schleifring-Übertrager verwendet. Sie unterliegen jedoch einem hohen Verschleiß,
sind empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, benötigen viel Platz, haben ein hohes
Gewicht und sind nur mit hohem Arbeits- und Kostenaufwand an der Welle anzubringen.
[0003] Ferner kann die Übertragung der von der Meßstelle aufgenommenen Meßwerte zur stationär
angeordneten Anzeigevorrichtung auf drahtlosem Wege mit Hilfe eines auf der rotierenden
Welle angeordneten Senders und eines mit der stationären Anzeigevorrichtung galvanisch
verbundenen Empfängers erfolgen. Bei dieser Art der Meßwertübertragung muß neben der
Meßstelle auch noch der Sender mit Energie versorgt werden. Dies kann mit Hilfe eines
auf der Welle angeordneten Akkumulators erfolgen. Die Verwendung eines Akkumulators
hat jedoch den Nachteil, daß der Sender und die Meßstelle entsprechend der Speicherkapazität
des Akkumulators ohne Zwischenschaltung eines Ladevorgangs nur eine begrenzte Zeit
mit Energie versorgt werden können. Bei Verwendung eines kleinen und leichten Akkumulators
ist diese Zeit sehr kurz. Verwendet man dagegen einen größeren und damit auch schwereren
Akkumulator mit einer größeren Speicherkapazität, so werden durch das zusätzliche
große Gewicht des Akkumulators die mechanischen Eigenschaften der Welle derart negativ
beeinflußt, daß eine Reduzierung der höchstzulässigen Wellendrehzahl von einem gewünschten
Wert auf einen deutlich niedrigeren Wert erfolgen muß.
[0004] Da die Verwendung eines Akkumulators zur Energieversorgung des Senders und der Meßstelle
auf der Welle immer einen Kompromiß zwischen Größe und Gewicht des Akkumulators einerseits
und seiner Betriebszeit andererseits darstellt, wurden auch Meßsysteme entwickelt,
bei denen die Energie zur Versorgung des Senders und der Meßstelle auf der rotierende
Welle auf induktivem Wege übertragen wird. So ist beispielsweise eine Drehmoment-Meßwelle
bekannt, bei der die Energieversorgung der auf dem rotierenden Teil der Meßwelle angeordneten
Drehmoment-Meßstelle mit Hilfe eines elektromagnetischen Übertragers erfolgt, dessen
ringförmige Primärspule den rotierenden Teil der Meßwelle umgreift. Zur Zentrierung
der ringförmigen Primärspule auf dem rotierenden Teil der Meßwelle ist der Spulenträger
auf diesem drehbar gelagert. Der Nachteil der Messung an einer rotierenden Welle mit
Hilfe einer separaten Meßwelle liegt darin, daß die Welle, an der Messungen vorgenommen
werden sollen, aufgetrennt werden muß, um die separate Meßwelle einsetzen zu können.
Dies erfordert nämlich einen hohen Arbeits- und Kostenaufwand. Ferner wird durch das
Einfügen der separaten Meßwelle das mechaniche Verhalten der zu überprüfenden Welle
verändert. Darüber hinaus benötigt diese bekannte Meßwelle viel Platz, der beispielsweise
bei Messungen an einer im Fahrzeugtunnel angeordneten Gelenkwelle nicht vorhanden
ist. Da bei der bekannten Einrichtung der Spulenträger der Primärspule auf dem rotierenden
Teil der Meßwelle drehbar gelagert ist, hat der rotierende Teil der Meßwelle und somit
auch die mit diesem verbundene Welle, an der die Messungen vorgenommen werden sollen,
bei stationär angeordneter Primärspule keinerlei Bewegungsspielraum in axialer und
radialer Richtung.
[0005] Bei einer weiteren bekannten Einrichtung zur induktiven Energieversorgung einer auf
einer rotierenden Welle angeordneten elektrischen Schaltung besteht die mit der Welle
im Betrieb mitrotierende Senkundärspule aus zwei die Welle jeweils zur Hälfte umgreifenden
Halbschalen, die im zusammengefügten Zustand einen Innendurchmesser haben, der geringfügig
kleiner ist als der Außendurchmesser der Welle. Durch diese kontruktive Gestaltung
wird bewirkt, daß die beiden Halbschalen durch einfaches Zusammenschrauben auf der
Welle festgeklemmt werden können. Die beiden Halbschalen weisen an ihrem äußeren Umfang
einen radial abstehenden Rand auf, der im Betrieb in einer Nut frei läuft, die an
dem der Welle zugewandten Ende einer stationär angeordneten stabförmigen Primärspule
ausgebildet ist. Dadurch, daß der radial überstehende Rand der mit der Welle rotierenden
Sekundärspule nur einen sehr geringen Bewegungsspielraum in der Nut der stationär
angeordneten Primärspule hat, ist auch bei dieser Einrichtung die Bewegungsfreiheit
der rotierenden Welle sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung sehr
gering. Darüber hinaus benötigt die in radialer Richtung der Welle ausgerichtete stabförmige
Primärspule viel Platz.
[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben,
die nur einen geringen Platzbedarf hat und darüber hinaus im Vergleich zu den bekannten
Einrichtungen eine deutlich größere Bewegungsfreiheit der Welle sowohl in axialer
als auch in radialer Richtung zuläßt.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Primärspule ein U-förmiger
ferromagnetischer Spulenkern vorgesehen ist, dessen Schenkel in axialer Richtung der
Welle hintereinander angeordnet und mit ihren freien Enden zur Welle hin ausgerichtet
sind, daß die Primärspule aus zwei auf den beiden Schenkeln des Spulenkerns angeordneten
Teilen besteht und daß die Sekundärspule etwa in der Mitte zwischen den beiden Schenkeln
des Spulenkerns auf der Welle angeordnet ist.
[0008] Durch die Anordnung der beiden Teile der Primärspule in axialer Richtung der Welle
hintereinander ist gewährleistet, daß der durch die beiden Teile der Primärspule erzeugte
Magnetfluß einen in axialer Richtung der Welle weit ausgedehnten Bereich durchflutet.
Durch die Anordnung der Sekundärspule auf der Welle etwa in der Mitte zwischen den
beiden Teilen der Primärspule wird erreicht, daß die beispielsweise auf der Welle
aufgewickelte Sekundärspule auch dann noch vom magnetischen Fluß der Primärspule durchflutet
wird, wenn die Welle in axialer Richtung um einen Betrag verschoben wird, der etwa
dem halben Abstand der beiden Teile der Primärspule entspricht. Es ist dadurch ein
großer Bewegungsspielraum der Welle in axialer Richtung gewährleistet. Auch in radialer
Richtung ist ein im Vergleich zum Stand der Technik großer Bewegungsspielraum der
Welle gegeben. Er wird lediglich durch den Abstand der Primärspule zur Welle einerseits
und durch die gerade noch zulässigen Schwankungen der Amplitude der in der Sekundärwicklung
induzierten Spannung andererseits begrenzt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Einrichtung liegt darin, daß die Primärspule an beliebiger Stelle in der Nähe des
Umfangs der Welle angeordnet werden kann. Ferner ist die Sekundärspule in einfacher
Weise durch Aufwickeln auf der Welle anzubringen. Aufgrund des geringen Gewichtes
der Wicklung der auf der Welle angeordneten Sekundärspule bleiben ferner die mechanischen
Eigenschaften der Welle nahezu unbeeinflußt. Schließlich ist die erfindungsgemäße
Einrichtung aufgrund ihres einfachen Aufbaus mit nur geringem Kostenaufwand zu fertigen.
[0009] Nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung bildet die Primärspule
zusammen mit einem ersten Kondensator einen primärseitigen elektrischen Schwingkreis.
Ferner ist die Sekundärspule auf einem ferromagnetischen Bereich der Welle angeordnet
und bildet mit einem zweiten Kondensator einen sekundärseitigen elektrischen Schwingkreis,
dessen Eigenschwingfrequenz bei einem vorgegebenen maximal zulässigen Abstand zwischen
den Schenkelenden des U-förmigen Spulenkerns und der Welle mit der Eigenschwingfrequenz
des primärseitigen Schwingkreises übereinstimmt. Durch diese Weiterbildung der Erfindung,
wird wie im folgenden näher erläutert wird, erreicht, daß bei einer radialen Auslenkung
der Welle in Richtung zur Primärspule hin als auch von dieser weg nahezu keine Änderung
der Amplitude der in der Sekundärspule induzierten Spannung auftritt. Beim maximal
zulässigen Abstand zwischen der Primärspule und der Welle ist die über den Luftspalt
zwischen dem U-förmigen Spulenkern der Primärspule und der Welle übertragene Energie
minimal. Da andererseits bei diesem maximal zulässigen Abstand zwischen der Primärspule
und der Welle die Eigenschwingfrequenz des sekundärseitigen elektrischen Schwingkreises
mit der Eigenschwingfrequenz des primärseitigen Schwingkreises übereinstimmt, der
sekundärseitige elektrische Schwingkreis also mit der Resonanzfrequenz angeregt wird,
ist die Aufnahme der über den Luftspalt zwischen der Primärspule und der Welle übertragenen
Energie maximal. Wird nun die Welle radial in Richtung zur Primärspule hin ausgelenkt,
so nimmt der Abstand zwischen den Schenkelenden des U-förmigen Spulenkerns und der
Welle ab. Dadurch nimmt einerseits die über den Luftspalt zwischen der Primärspule
und der Welle übertragene Energie zu. Andererseits nimmt durch die Abstandsverringerung
zwischen der Primärspule und der Welle die von der Sekundärspule aufgenommene Energie
ab. Dies ist darauf zurückzuführen, daß durch die Annäherung des ferromagnetischen
Bereichs der Welle an die Schenkelenden des U-förmigen Spulenkerns der Primärspule
die Induktivität der Primärspule zunimmt. Diese Zunahme der Induktivität der Primärspule
des primärseitigen elektrischen Schwingkreises bewirkt, daß dessen Eigenschwingfrequenz
abnimmt. Der sekundärseitige elektrische Schwingkreis wird nun nicht mehr mit seiner
Eigenschwingfrequenz angeregt, sondern mit der nun gegenüber dieser kleineren Eigenschwingfrequenz
des primärseitigen elektrischen Schwingkreises. Da die vom sekundärseitigen elektrischen
Schwingkreis aufgenommene Energie mit zunehmender Abweichung der Eigenschwingfrequenz
des primärseitigen elektrischen Schwingkreises von der Eigenschwingfrequenz des sekundärseitigen
elektrischen Schwingkreises kleiner wird, nimmt der vom sekundärseitigen elektrischen
Schwingkreis aufgenommene Anteil der über den Luftspalt übertragenen Energie ab. Aufgrund
der Tatsache, daß sich diese beiden gegensinnig auswirkenden Effekte nahezu vollständig
kompensieren, bleibt die Amplitude der in der Sekundärspule induzierten Spannung bei
einer radialen Auslenkung der Welle innerhalb der vorgegebenen Grenzen weitgehend
konstant. Durch die Versorgung der auf der rotierenden Welle angeordneten elektrischen
Schaltung mit einer Spannung mit nahezu gleichbleibender Spannungsamplitude ist ein
funktionssicherer Betrieb der elektrischen Schaltung gewährleistet.
[0010] Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren erläutert.
[0011] Es zeigen:
Fig. 1 einen Wellenabschnitt, an dem eine Einrichtung nach der Erfindung angeordnet
ist und
Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Welle zusammen mit dem Spulenkern der in Fig. 1
gezeigten Primärspule aus Blickrichtung A
[0012] Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem nahe der Welle
10 stationär angeordneten primärseitigen elektrischen Schwingkreis 12 und einem auf
der Welle angeordneten sekundärseitigen elektrischen Schwingkreis 14. Der primärseitige
elektrische Schwingkreis 12 umfaßt dabei eine aus den beiden Teilen 16 und 18 bestehende
Primärspule 20 und einen ersten Kondensator 22, dessen Elektroden mit den Wicklungsenden
24 und 26 der Primärspule 20 verbunden sind. Die beiden Teile 16 und 18 der Primärspule
20 sind auf den beiden Schenkeln 28 und 30 eines U-förmigen ferromagnetischen Spulenkerns
32 angeordnet. Dieser ist der Welle 10 derart zugeordnet, daß seine Schenkel 28 und
30 in axialer Richtung der Welle 10 hintereinander liegen und daß die freien Enden
34 und 36 der Schenkel 28 und 30 zur Welle 10 hin ausgerichtet sind.
[0013] Der sekundärseitige elektrische Schwingkreis 14 umfaßt eine Sekundärspule 38 deren
Wicklungsenden 40 und 42 mit den Elektroden 44 und 46 eines zweiten Kondensators 48
verbunden sind. Die Sekundärspule 38 ist etwa in der Mitte zwischen den beiden Schenkeln
28, 30 des Spulenkerns 32 auf die Welle 10 aufgewickelt. Sie wird zur Fixierung lediglich
mit einem Gießharz vergossen.
[0014] Die beiden elektrischen Schwingkreise 12 und 14 sind durch die Dimensionierung ihrer
Kondensatoren 22 und 48 derart aufeinander abgestimmt, daß ihre Eigenschwingfrequenzen
bei einem vorgegebenen, maximal zulässigen Abstand zwischen den Schenkelenden 34 und
36 des U-förmigen Spulenkerns 32 und der Welle 10 übereinstimmen. Dadurch wird, wie
in der Beschreibungseinleitung bereits ausführlich erläutert ist, erreicht, daß die
Amplitude der in der Sekundärspule 38 induzierten Spannung bei radialer Auslenkung
der Welle 10 in Richtung zur Primärspule 20 hin bzw. von dieser weg unabhängig vom
Abstand der Schenkelenden 34 und 36 des Spulenkerns 32 der Primärspule 20 von der
Welle 10 weitgehend konstant bleibt.
[0015] Mit Fig. 2 sollen lediglich die geometrischen Verhältnisse zwischen dem Spulenkern
32 der Primärspule 20 (Fig. 1) und der Welle 10 verdeutlicht werden. Es ist zu erkennen,
daß die erfindungsgemäße Einrichtung, deren platzintensivstes Teil der U-förmige Spulenkern
32 ist, im Vergleich zur Welle nur sehr wenig Platz benötigt. Ein weiterer Vorteil
der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt darin, daß die Primärspule an jeder beliebigen
Stelle rund um den Umfang der Welle 10 angeordnet werden kann. Die erfindungsgemäße
Einrichtung eignet sich deshalb besonders zur induktiven Energieversorgung einer auf
einer im engen Fahrzeugtunnel rotierenden Gelenkwelle angeordneten elektrischen Schaltung,
beispielsweise eines Senders und einer dazugehörigen Drehmomentmeßbrücke.
1. Einrichtung zur induktiven Energieversorgung einer auf einer rotierenden Welle
angeordneten elektrischen Schaltung, insbesondere eines Senders und einer dazugehörigen
Meßstelle, mit einer nahe der Welle stationär angeordneten Primärspule und einer mit
der Welle rotierenden Sekundärspule, dadurch gekennzeichnet, daß für die Primärspule
(20) ein U-förmiger ferromagnetischer Spulenkern (32) vorgesehen ist, dessen Schenkel
(28,30) in axialer Richtung der Welle (10) hintereinander angeordnet und mit ihren
freien Enden (34,36) zur Welle hin ausgerichtet sind, daß die Primärspule (20) aus
zwei auf den beiden Schenkeln (28,30) des Spulenkerns (32) angeordneten Teilen (16,18)
besteht und daß die Sekundärspule (38) etwa in der Mitte zwischen den beiden Schenkeln
(28,30) des Spulenkerns (32) auf der Welle (10) angeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule (20) zusammen
mit einem ersten Kondensator (22) einen primärseitigen elektrischen Schwingkreis (12)
bildet und daß die Sekundärspule (38) auf einem ferromagnetischen Bereich der Welle
(10) angeordnet ist und mit einem zweiten Kondensator (48) einen sekundärseitigen
elektrischen Schwingkreis (14) bildet, dessen Eigenschwingfrequenz bei einem vorgegebenen,
maximal zulässigen Abstand zwischen den Schenkelenden (34,36) des U-förmigen Spulenkerns
(32) und der Welle (10) mit der Eigenschwingfrequenz des primärseitigen elektrischen
Schwingkreises (12) übereinstimmt.